Op de kleinste schaal, wetenschap kan nogal raar worden. Zo raar zelfs dat metalen en andere materialen kunnen worden gewijzigd om hun eigenschappen volledig te veranderen, zoals het veerkrachtig maken tegen water of bacteriën.

Dit is de hoeksteen van nieuw onderzoek naar de verborgen wereld van oppervlakken, met het potentieel om ons dagelijks leven te verbeteren door vaatwassers te maken die zichzelf reinigen of batterijen die langer meegaan.

Een belangrijke doorbraak die dit mogelijk heeft gemaakt, is de ultrakorte pulslaser. Tot 10 jaar geleden was deze technologie te duur en niet in staat om voldoende vermogen te produceren om interessante effecten te veroorzaken die op industriële schaal konden worden toegepast. Maar het is nu zo ontwikkeld dat onderzoekers het kunnen gebruiken om de structuur van alledaagse voorwerpen te veranderen.

elektronen

Een ultrakorte pulslaser is een laser die regelmatige stralen afvuurt die minder dan 10 picoseconden – of 10 biljoenste van een seconde – duren. Deze kleine pulsduur is kort genoeg om elektronen op het oppervlak van een metaal te exciteren en de eigenschappen ervan te wijzigen voordat de energie wordt omgezet in warmte terwijl de elektronen ontspannen, " of terugkeer naar een stabiele toestand, tussen elke puls.

"Dus wat er gebeurt, is dat je veel zeer opgewonden elektronen hebt die rond de plaats reizen, en dan ontspannen ze allemaal, en dat wordt in één klap omgezet in warmte, " zei Dr. Adrian Lutey, een werktuigbouwkundig ingenieur en research fellow aan de Universiteit van Parma in Italië die werkt aan een project genaamd TresClean. "En je kunt op deze manier een aantal zeer interessante wijzigingen uitlokken."

TresClean onderzoekt manieren waarop ultrakorte pulslasers een aantal industrieën kunnen verbeteren, met name de voedingsindustrie en witgoed – zoals vaatwassers en wasmachines – en het onderzoeken van de grenzen van wat mogelijk is.

Het team onderzoekt hoe metalen oppervlakken waterbestendig kunnen worden gemaakt met behulp van lasers, waaronder een van 's werelds krachtigste ultrakorte pulslasers aan de Universiteit van Stuttgart in Duitsland, met een gemiddeld vermogen van één kilowatt. De lasers maken minuscule nanogroeven op het oppervlak van het metaal, en door luchtbellen op te vangen, dit voorkomt dat water aan het oppervlak blijft plakken. Dit ruwe oppervlak heeft een soortgelijk effect als een lotusblad, die een oppervlaktechemie heeft die voorkomt dat water blijft plakken.

Antibacterieel

Met behulp van deze techniek, het is mogelijk om vloeistofafstotende antibacteriële oppervlakken te creëren. Bacteriën gedijen goed in water, daarom moeten leidingen en andere apparatuur regelmatig worden schoongemaakt om ophoping te voorkomen - een proces dat zowel veel tijd als geld kost. Maar als er überhaupt nooit bacteriën op het oppervlak groeiden, dit probleem kan worden uitgeroeid.

"Een analoog is een spijkerbed, de bacteriecellen hebben nergens waar ze zich aan kunnen hechten, "Zei Dr. Lutey. "Het gebruik van lasertexturering om een ​​antibacteriële reactie te produceren is baanbrekend."

Tot nu toe zijn de resultaten veelbelovend, met het team dat een aantal onderzoekspapers publiceert over hoe effectief de techniek kan zijn. Ze hopen dat dit een aantal toepassingen kan hebben, bijvoorbeeld in de voedselverpakkingsindustrie, waar melk en andere vloeibare voedingsmiddelen door machines worden vervoerd. Deze moet om de paar uur worden schoongemaakt met sterke reinigingsmiddelen.

"Als we de benodigde schoonmaakkosten kunnen verminderen, we kunnen downtime verminderen en we kunnen elk risico op besmetting verminderen waar schoonmaakmiddelen in het voedsel terechtkomen, "zei Dr. Lutey.

Evenzo in vaatwassers en wasmachines, dit kan voorkomen dat zich een biofilm – een groep bacteriën – vormt in de machine, waardoor een vaatwassertank kan gaan stinken als bacteriën rondzweven. Met laserbehandelde oppervlakken, deze producten kunnen minder water verbruiken en ook minder vuil worden.

Lasertechnieken zouden elders kunnen worden toegepast. Bijvoorbeeld, boten hebben een veelvoorkomend probleem met een biofilm 'slijm' op hun romp waar bacteriën zijn gegroeid. Maar als de romp van de boot waterbestendig gemaakt zou kunnen worden, dan hebben de bacteriën geen houvast.

Batterijen

Ook mensen die implantaten hebben of elektrisch rijden kunnen baat hebben bij deze technieken. Een project genaamd Laser4Surf maakt gebruik van ultrakorte laserpulsen op een aantal gebieden, van batterijproductie tot medicijnen.

"Het idee achter dit project is om prototypes te ontwikkelen die verschillende eigenschappen kunnen krijgen in metalen oppervlakken, " zei projectcoördinator Dr. Ainara Rodriguez van het Ceit-IK4 onderzoekscentrum in Spanje.

Zij en een team van onderzoekers ontwikkelen prototypes die meer dan 800, 000 laserpulsen om materiaal tot 6 te verwarmen, 000°C, die heter is dan het oppervlak van de zon. Dit sublimeert het materiaal, veranderen van een vaste stof in een gas, en laat toe om de eigenschappen ervan te wijzigen.

"Wat we doen is de structuur van het materiaal bestralen (opwarmen) met ultrasnelle laserpulsen, die de hechting van het materiaal kan verhogen, zijn hydrofobiciteit (het vermogen om water af te stoten), of de kleur van het metaal zelf, " zei dr. Rodriguez.

Door lasers te gebruiken om het oppervlak van batterijen te vergroten en oververhitting te voorkomen, het team hoopt hun levenscyclus met 30% te verlengen, en hun capaciteit tot 60%. Dit biedt in de toekomst mogelijkheden om batterijen voor elektrische auto's te maken die sneller opladen en langer meegaan. in de geneeskunde, lasertexturisatie zou de binding tussen menselijk bot en implantaat 80% sterker moeten maken.

Cruciaal voor de voortgang van dit onderzoek zal zijn om te bewijzen dat deze technologie kan worden ontwikkeld van de laboratoriumomgeving naar de industrie. In juli van dit jaar, het team hoopt verschillende prototypes te hebben ontwikkeld die sommige van hun ideeën kunnen testen, alvorens te kijken hoe dit kan worden opgeschaald voor meer wijdverbreid gebruik.